Dans la structure de surface actuelle des IGBT, on peut dire que les types planaire et à tranchée sont équivalents. La première fois que l'on rencontre ces deux termes, de nombreux lecteurs peuvent penser à tort que le courant circule horizontalement dans un IGBT planaire, tandis que celui circule verticalement dans un IGBT à grille à tranchée. Il s'agit en réalité d'une erreur de compréhension. Qu'il s'agisse d'un IGBT planaire ou à tranchée, le courant circule verticalement. De plus, pour tous les composants électroniques de puissance que nous connaissons, tels que les IGBT, les MOSFET, les thyristors et les diodes de puissance, le courant circule verticalement afin de répondre aux exigences de tenue en tension. Pour les IGBT, le courant de trou circule de l'électrode de collecteur arrière vers l'électrode d'émetteur avant ; le courant d'électrons circule de l'émetteur, traverse le canal d'inversion de surface et se dirige vers le collecteur arrière, comme illustré à la figure 1.

Figure 1. Sens de circulation du courant dans l'IGBT

Nous savons tous que, comparés aux IGBT planaires, les IGBT à grille en tranchée peuvent réduire considérablement la chute de tension à l'état passant sans augmenter les pertes à l'état bloqué. Comment la grille en tranchée y parvient-elle ? Elle combine trois atouts : l'élimination de l'effet JFET, une densité de canal accrue et une concentration accrue de porteurs en surface.

Élimination de l'effet JFET

La principale différence entre la structure de grille en tranchée et la structure de grille planaire réside dans l'orientation du canal inversé dans la région émettrice de type P lorsque l'IGBT est activé. Dans la structure de grille en tranchée, le canal inversé est vertical et non horizontal.

Figure 2. Schéma du canal inversé dans les IGBT planaires et à grille à tranchée.

Dans les IGBT à grille planaire, pendant la conduction directe, la jonction PN formée entre le puits P et la région de dérive N est en légère polarisation inverse. Il en résulte la formation d'une zone de charge d'espace d'une certaine largeur, occupant un espace limité. Par conséquent, le courant ne peut circuler que dans un espace relativement étroit, ce qui augmente l'impédance le long du trajet du courant.

Figure 3. Effet JFET dans un IGBT à grille planaire.

Par conséquent, dans les IGBT à grille planaire, dans le sens du flux d'électrons, on observe la résistance de canal Rchannel, la résistance JFET RJFET et la résistance de la zone de dérive Rn-. En revanche, dans les IGBT à grille en tranchée, la structure verticale de la tranchée élimine la zone JFET, ce qui entraîne une impédance globale plus faible le long du trajet du courant.

Figure 4. Comparaison de l'impédance à l'état passant entre les IGBT planaires et à grille en tranchée.

La concentration de porteurs près de la surface augmente.

Pour les IGBT à grille planaire, la concentration de porteurs diminue progressivement du collecteur à l'émetteur. L'objectif de conception des IGBT de nouvelle génération est de maintenir une distribution uniforme de la concentration de porteurs entre le collecteur et l'émetteur, de préférence avec une augmentation progressive. Cela permet de réduire davantage les pertes de conduction sans affecter le courant de queue ni les pertes de blocage. La figure ci-dessous illustre la distribution de la concentration de porteurs dans la zone de dérive de trois structures différentes d'IGBT. On constate qu'à proximité de la zone d'émetteur, la concentration de porteurs dans les IGBT à grille planaire est bien supérieure à celle des IGBT à grille planaire. Par conséquent, dans les IGBT à grille planaire, une largeur et un espacement appropriés des tranchées peuvent augmenter la concentration de porteurs dans la couche proche de la surface de la région N-, réduisant ainsi la résistance Rn- de la zone de dérive.

Figure 5. Distribution de la concentration des porteurs dans un IGBT.

Augmentation de la densité des canaux

Comparée aux IGBT à grille planaire, la structure verticale des IGBT à tranchées élimine la surface nécessaire à la création de canaux conducteurs à la surface du silicium, ce qui permet des conceptions de cellules plus compactes. Cela signifie qu'un plus grand nombre de cellules IGBT peuvent être fabriquées sur la même surface de puce, ce qui se traduit par des canaux conducteurs plus larges et une résistance de canal plus faible.

Malgré l'essor rapide des IGBT à tranchées, les IGBT à grille planaire conservent leur place. Les pionniers ne sont pas en reste, car les IGBT à tranchées doivent encore relever de nombreux défis.

La technologie permettant de creuser des parois de tranchée lisses est complexe. La largeur de tranchée d'un IGBT à grille de tranchée classique n'est que de 1 à 2 μm, et sa profondeur doit atteindre 4 à 5 μm, voire plus. Les tranchées sont gravées dans la surface du silicium par corrosion acide, et un contrôle précis de leur largeur et de leur profondeur est extrêmement difficile. De plus, les parois de la tranchée doivent être aussi lisses et exemptes de défauts que possible, car des surfaces irrégulières peuvent impacter la tension de claquage et réduire le rendement. Les angles du fond de la tranchée doivent également être très lisses, sinon le champ électrique se concentrerait à cet endroit et affecterait gravement la tenue en tension. Il est donc évident que la technologie IGBT à grille de tranchée est beaucoup plus complexe que la technologie IGBT à grille planaire.

Un canal conducteur plus large augmentera le courant lors d'un court-circuit de l'IGBT. Comme mentionné précédemment, la forte densité de canaux des IGBT à tranchées réduit leur résistance, mais l'un de ses inconvénients est l'augmentation du courant de court-circuit. Dans le pire des cas, ce courant peut être si important qu'il endommage l'IGBT en très peu de temps. Pour que l'IGBT puisse résister à des courts-circuits allant jusqu'à 10 microsecondes (dans des conditions de test spécifiques), la largeur du canal et les cellules adjacentes doivent être conçues avec le plus grand soin, par exemple en augmentant la distance entre les cellules afin de réduire le nombre de cellules efficaces par monocristal. Une autre méthode consiste à ne pas connecter toutes les grilles à une grille commune, mais à court-circuiter les grilles de certaines cellules avec leur émetteur. Cette technique est appelée technologie « insertion-fusion de cellules ». Cette méthode permet de réduire la densité de canaux, diminuant ainsi le courant de court-circuit et améliorant la résistance du dispositif aux courts-circuits.